Biónica

Alas para máquinas voladoras
(dibujo de Leonardo da Vinci )

La biónica (también biomimetismo , biomimética o Biomimese ; una palabra maleta de biología y tecnología ) se dedica a la transmisión de fenómenos naturales en el arte. Un ejemplo bien conocido de la historia es la idea de Leonardo da Vinci de transferir el vuelo de los pájaros a las máquinas voladoras. Un ejemplo de la vida moderna es el velcro inspirado en percebes . La biónica se basa en el supuesto de que la naturaleza viva desarrolla estructuras y procesos optimizados a través de procesos evolutivos, de los que los humanos pueden aprender.

Como campo de investigación interdisciplinario, la biónica atrae a científicos naturales, ingenieros, arquitectos, filósofos y diseñadores. La biónica trata sobre el reconocimiento sistemático de soluciones de la naturaleza viva; por lo tanto, se distingue de la inspiración natural sin propósito. Su objetivo es siempre un objeto o proceso técnico que está separado de la naturaleza, por lo que la biónica se diferencia de las ciencias que utilizan y amplían los procesos biológicos, como la bioinformática , la biofísica y la bioquímica . La biónica hace importantes contribuciones al proceso de biologización .

Definiciones

Biónica usando el ejemplo de la aviación

Uno de los fundadores de la biónica, Werner Nachtigall , definió el término de la siguiente manera:

La primera oración de su definición coincide con la del VDI ; esto describe la biónica de la siguiente manera:

Formación de conceptos e historia

Steinhuder Pike como plantilla submarina

El término inglés biónica fue introducido por primera vez por el comandante de la Fuerza Aérea estadounidense Jack E. Steele en 1960 en una conferencia bajo la dirección de Heinz von Foerster en la Base de la Fuerza Aérea Wright-Patterson en Dayton , Ohio : 'Simposio de Biónica: Prototipos Vivientes - La Clave a la nueva tecnología '. JE Steele, neurólogo en el servicio militar, deriva el término de la raíz griega "bios" (vida) y el sufijo "-onics" que significa "estudio de" La palabra alemana biónica es una combinación de biología y tecnología .

En el mundo de habla inglesa , el significado de biónico se limita principalmente a la construcción de partes del cuerpo o, de manera más general, a una combinación de biología y electrónica (también en relación con la idea del cyborg ). Lo que se conoce como biónica en los países de habla alemana se corresponde más con el término biomimética o biomimetismo en inglés . Dado que muchos autores son conscientes del problema lingüístico, los dos términos biónica y biomimética se utilizan ahora a menudo como sinónimos .

Como pionero histórico de la biónica, el inventor italiano Leonardo da Vinci lideró la mayor parte de 1505 en su manuscrito sobre el vuelo de las aves, analizó el vuelo de las aves y trató de transferir sus conocimientos a las máquinas voladoras. La primera patente alemana en el campo de la biónica fue otorgada a Raoul Heinrich Francé en 1920 para un "nuevo esparcidor" modelado en una cápsula de semilla de amapola . En 1948, el científico suizo Georges de Mestral desarrolló el cierre de velcro basado en el modelo de la bardana .

La conferencia de 1964 de Ingo Rechenberg titulada: "Control de la solución cibernética de una tarea de investigación experimental " se considera un hito en la historia de la biónica . Aquí demostró el experimento de Darwin-in-the-wind túnel , en el que una placa de bisagra doblada en forma de zigzag evoluciona a una forma plana con la menor resistencia.

Consideración económica de la biónica

La biónica es todavía una ciencia muy joven, por lo que su importancia económica es todavía relativamente pequeña, pero recientemente ha habido más y más trabajo biónico y el interés en los desarrollos biónicos está aumentando. En los últimos años, cada vez más resultados de la investigación de la biónica se han trasladado al desarrollo de productos, lo que demuestra la creciente importancia de la biónica. Además, la creciente relevancia de la biónica queda patente en el número cada vez mayor de proyectos financiados por el Ministerio Federal de Educación e Investigación, la Fundación Federal de Medio Ambiente de Alemania y el Ministerio Federal de Economía y Trabajo. Además, muchas pequeñas empresas reciben apoyo en la investigación biónica. Con estas subvenciones, muchos productos han alcanzado la madurez de producto para que puedan comercializarse. Un ejemplo de un producto de este tipo es el traje de baño Speedo, que es similar a la estructura de la piel de tiburón y, por lo tanto, también refleja sus ventajas, como una menor resistencia al agua.

Desarrollo y demarcación

Espiroide de optimización de la punta del ala

La biónica solo se ha convertido en una disciplina científica establecida en las últimas décadas, en particular debido a métodos nuevos y mejorados (potencia de cálculo, procesos de producción, consideraciones interdisciplinarias). Al desarrollar elementos técnicos funcionales, los ingenieros no siempre estaban al tanto de desarrollos paralelos en la naturaleza. Así que el marco se desarrolló sin conocimiento de la estructura fina de las trabéculas . Dado que no hubo transferencia de ningún tipo, tales coincidencias formales o funcionales se denominan correspondencias y no biónicas.

La biomimética o biónica como disciplina científica, por otro lado, busca específicamente estructuras en la naturaleza que pueden ser de importancia técnica como modelos a seguir. Este enfoque a menudo se puede denominar una búsqueda pura de analogías . Sin embargo, a menudo solo permite pequeños saltos en la innovación , ya que la aplicación técnica ya debe ser reconocible.

El efecto loto (gráficos por computadora)

Alternativamente, ciertos principios estructurales u organizativos pueden describirse a través de la investigación biológica básica , que solo entonces se reconocen como aptos para la transferencia a la tecnología. Por ejemplo, al examinar la estructura ósea, se desarrollan nuevas construcciones de estructuras (por ejemplo, para reforzar construcciones de doble pared). El conocimiento sobre la no humectabilidad y autolimpieza de determinadas superficies vegetales sólo más tarde condujo al desarrollo de productos industriales tan diversos como pintura para fachadas, tejas y toldos con el llamado efecto loto, y la aerodinámica buscó muchos estímulos en zoología.

El Bionic Learning Network es una asociación de investigación de la empresa Festo con universidades, institutos y empresas de desarrollo. El objetivo de la iniciativa es producir nuevos tipos de portadores de tecnología mediante la aplicación de biónica.

La biónica se puede dividir en diferentes subáreas: La biónica de la construcción compara los elementos de construcción y sus integraciones, la biónica del sensor examina los sistemas para la recepción de estímulos, la biónica estructural analiza los elementos estructurales biológicos, la biónica del movimiento los mecanismos de impulso, la influencia de la superficie y el ajuste del flujo, la neurobiónica observa lo natural transferencia de información y transmisión a sistemas de TI, el Baubionik investigó estructuras completas de organismos vivos o sus productos, los dispositivos biónica implementa estructuras de dispositivos naturales, procedimientos biónicos proporciona estudio analítico de procesos biológicos tales. B. fotosíntesis , la biomimética climática busca sistemas de ventilación pasiva, refrigeración o calefacción, la antropobiónica estudia los movimientos de los animales, a menudo para su uso en robótica , la biónica evolutiva transfiere los procesos evolutivos a la investigación (desarrollo experimental por ensayo y error).

Enfoque básico

Otto Lilienthal el 16 de agosto de 1894

En la biónica analógica , se produce un “proceso de arriba hacia abajo”: se define el problema, se buscan analogías en la naturaleza, se analizan estas analogías y finalmente se buscan soluciones al problema con el conocimiento adquirido de la naturaleza. Ejemplos:

Ala con winglet de un Boeing 757

• Avión : Otto Lilienthal , Alberto Santos-Dumont y los hermanos Wright observaron el vuelo ( locomoción ) de grandes pájaros y así optimizaron sus prototipos .
• Aletas en los extremos de las alas de los aviones: los grandes remolinos en las puntas de las alas de los aviones provocan un alto consumo de combustible, que puede reducirse entre un cinco y un seis por ciento mediante el uso de aletas. Investigación de las alas de las aves planeadoras y voladoras como analogía de un avión. Descripción de las alas de las manos de ciertas especies de aves ( por ejemplo , ratonero , cóndor y águila ), que en lugar de un gran vórtice provocan varios más pequeños y, por lo tanto, consumen menos energía en general. Fabricación de alas artificiales con varias estructuras de desprendimiento de vórtices (aletas). Los diseñadores de aviones han desarrollado aún más las aletas en un perfil de bucle en la punta del ala (bucle de ala dividida) ( espiroide ). El ejemplo muestra que al final de una optimización, su derivación biónica no siempre tiene que ser visible.

• Desarrollo de nuevos tipos de perfiles para neumáticos de automóvil : los modelos biológicos son las patas de gato, por ejemplo, que se ensanchan al cambiar de dirección y por tanto tienen una mayor superficie de contacto con el suelo.
• Robots con forma de araña cuyas patas tienen funciones de control autónomas y, por lo tanto, son superiores a los robots controlados de forma centralizada.

En la abstracción, la biónica es un "proceso de abajo hacia arriba" en cambio: el hombre corre hacia la investigación biológica básica, la biomecánica y la morfología funcional examinada por los sistemas biológicos, detecta y describe un principio subyacente, una abstracción de este principio conduce (separación del modelo biológico y traducción a lenguaje no técnico), busca posibles aplicaciones técnicas y finalmente las desarrolla junto con ingenieros, técnicos, diseñadores, etc.

Santos-Dumont Demoiselle "Libélula"

Santos-Dumont 14-bis - construcción similar "ganso"

Ejemplos:

• No humectabilidad y autolimpieza de ciertas superficies biológicas: la observación y un examen más detenido del hecho de que prácticamente todas las sustancias solubles en agua se deslizan de una hoja de la planta de loto dio lugar a patentes para estructuras de superficie extremadamente poco humectables y autolimpiables (p. Ej. para una nueva superficie artificial como pintura de fachada), el efecto loto . Ver también: Ceras en hojas de plantas, por ejemplo de flor de loto, colinabo , etc.
• Optimización estructural de componentes ( CAO y SKO ): formas de crecimiento de árboles o huesos
• Películas de Riblet : en los tiburones que nadan rápidamente , la superficie de la piel está formada por escamas pequeñas y compactas. En estas escalas hay surcos finos de bordes afilados que están alineados paralelos al flujo. Estas ranuras microscópicas reducen la resistencia a la fricción . Este efecto de reducción de la fricción es eficaz en todos los flujos turbulentos, incluido el aire. La aeronave puede cubrirse con una película especial (la llamada película riblet), que tiene una estructura similar en la parte superior y, por lo tanto, reduce la resistencia aerodinámica de la aeronave. La base científica proviene de estudios sobre tiburones fósiles y sus "escamas".
• El pelo adhesivo y otros dispositivos adhesivos en la superficie de las patas de numerosas especies animales, como superficies biológicas estructuradas, se utilizan como modelos para aplicaciones técnicas, hasta e incluida la construcción de un robot trepador autónomo.

• El cierre de velcro se desarrolló sobre el modelo de las frutas de velcro (Georges de Mestral, 1956).
• La inteligencia de enjambre y los algoritmos de las hormigas transfieren el comportamiento de los insectos y otros animales que viven en comunidades o grupos más grandes a áreas técnicas.

Otro campo relacionado con la biónica es la optimización de topología . El enfoque de arriba hacia abajo también se utiliza aquí. Los componentes se diseñan teniendo en cuenta su carga futura de tal manera que se eliminan áreas innecesarias y solo se realizan las conexiones necesarias para la carga.

Ejemplos de correspondencia entre tecnología y naturaleza.

Gotas de lluvia como modelo para la lupa

• Los chupones también se encuentran en pulpos y escarabajos .
• El sonar, o ecosonda , fue utilizado por delfines y murciélagos mucho antes de que los humanos lo supieran .
• Listones de aviones: ala del pulgar del ala del pájaro
• Propulsor : ala fruto de la arce
• Construcciones como la Torre Eiffel : el modelo para esto es la estructura de vigas de huesos
• Ala voladora : modelo de las semillas de mosca de Zanonia macrocarpa
• Jeringas : picaduras venenosas de abejas o avispones.
• Aletas para nadar : patas palmeadas en ranas o aves acuáticas
• Motor a reacción y propulsión de cohetes : principio de retroceso en medusas y calamares
• Atrapaniebla : uso de niebla del escarabajo bebedor de niebla
• Sistema de ventilación: sistema de ventilación en una madriguera de termitas
• La hidrofobicidad y la hidrofilicidad de los escarabajo niebla bebedor inspiran la construcción de una botella que se llena con agua.
• Torres de acero tubular de aerogeneradores : los tallos de grano son el modelo
• Cierre de velcro: el modelo es de velcro

Ver también

• Tecnología de biosistema
• Algoritmos evolutivos / estrategia de evolución
• Técnica de analogía
• Bioestética
• Bioeconomía
• Cybathlon
• Neurobiónica
• Biónica de la construcción
• Biónica del movimiento
• Biónica del sensor

Implementación técnica:

• Red de aprendizaje biónico
• Biomecatrónica

literatura

• Eberhard Forth y Eberhard Schewitzer (eds.): Biónica. Diccionario de bolsillo de Meyer. VEB Bibliographisches Institut, Leipzig 1976, DNB-Info .
• Werner Nachtigall , Kurt G. Blüchel : El gran libro de la biónica. Nuevas tecnologías inspiradas en la naturaleza. DVA, Stuttgart y Munich 2000, ISBN 3-421-05379-0 (edición especial 2003 bajo ISBN 3-421-05801-6 ).
• Werner Nachtigall: Biónica. 2ª Edición. Springer, Berlín 2002, ISBN 3-540-43660-X .
• Torsten Rossmann, Cameron Tropea: Biónica: resultados de la investigación actual en ciencias naturales, ingeniería y humanidades. Springer, Berlín 2004, ISBN 3-540-21890-4 .
• Zdenek Cerman, Wilhelm Barthlott, Jürgen Nieder: Invenciones de la naturaleza. Rowohlt, Reinbek 2005, ISBN 3-499-62024-3 .
• Antonia B. Kesel : Biónica. Fischer, Fráncfort del Meno 2005, ISBN 978-3-596-16123-2 .
• Kurt G. Blüchel: Biónica. Cómo podemos utilizar los planos secretos de la naturaleza. Goldmann, Múnich 2006, ISBN 3-442-15409-X .
• Martin Zeuch: Biónica. WAS IST WAS , Volumen 122. Tessloff, Nuremberg 2006, ISBN 978-3-7886-1509-3 .
• Lothar Brehmer: Nature: un marcapasos para el desarrollo de aviones. Projekt-Verlag, Halle 2007, ISBN 978-3-86634-344-3 .
• Sigrid Belzer: Los inventos más ingeniosos de la naturaleza. Biónica para niños. S. Fischer Verlag, Fráncfort del Meno 2010, ISBN 978-3-596-85389-2 .
• Biónica. Impresionante, por supuesto. Tema principal de la revista de cultura Westfalenspiegel , número 4/2011, págs. 14-27.
• Christian Johannsen: Potencial ahorro de energía a través del revestimiento de piel de tiburón. En: Schiff & Hafen , número 9/2012, págs. 82–86, Seehafen-Verlag, Hamburgo 2012, ISSN  0938-1643 .
• W. Barthlott, W. Erdelen, M. Daud Rafiqpoor: Biodiversidad e innovaciones técnicas: biónica . En: Concepto y Valor en Biodiversidad. Estudios de Routledge en Política y Gestión de la Biodiversidad . 2014, ISBN 978-0-415-66057-0 , págs. 300-315 . 
• MC Demirel, M. Cetinkaya, A. Pena-Francesch, H. Jung: Avances recientes en materiales bioinspirados a nanoescala. En: Biociencia macromolecular. [publicación electrónica antes de la impresión] Diciembre de 2014, ISSN  1616-5195 . doi : 10.1002 / mabi.201400324 . PMID 25476469 .
• Patricia Piekenbrock: Biónica. Aprender de la naturaleza: impulsos de innovación. Vogel Business Media, Würzburg 2018, ISBN 978-3-8343-3438-1 .

enlaces web

Wikcionario: Biónica  - explicaciones de significados, orígenes de palabras, sinónimos, traducciones

Biónica - Exposición sobre edificios y proyectos del arquitecto Moti Bodek , Freiland Potsdam.

• Hay proyectos biónicos muy diferentes bajo el aspecto de uso técnico en Festo Bionic Learning
• Red de competencia biónica (BIOKON eV)
• www.lotus-salvinia.de
• Biónica - Exposición sobre edificios y proyectos del arquitecto Moti Bodek . Semana internacional, FHP University of Applied Sciences, Freiland Potsdam. 12-16 de mayo de 2014.
• Bionicum - Exposición interactiva sobre biónica en Nuremberg.

documentos de respaldo

1. ↑ Mutschler, H.-D.: Filosofía natural . Kohlhammer, Stuttgart 2002, aquí: 120f.
2. ↑ Werner Nachtigall: Biónica : conceptos básicos y ejemplos para ingenieros y científicos naturales. 2a edición, Springer-Verlag Berlin / Heidelberg 2013, ISBN 978-3-642-18996-8 , p. 3.
3. ↑ VDI Association of German Engineers (editor): VDI 6220 hoja 1. Biónica - concepción y estrategia - diferenciación entre procesos / productos biónicos y convencionales . 2012.
4. ↑ Oficina de Patentes Alemana, No. 723730
5. ↑ La conferencia de Rechenberg tuvo lugar en la reunión anual conjunta de WGLR y DGRR en septiembre de 1964 en el Salón de Congresos de Berlín.
6. ↑ Stanislav Gorb y Dagmar Voigt: Superficies biológicas funcionales como modelos para la tecnología. Rendimiento. Edición doble 2.2009 / 1.2010: 69–77. Descargar PDF ( Memento de la original, el 4 de octubre de 2015 en el Archivo de Internet ) Información: El archivo de enlace se inserta de forma automática y sin embargo no ha sido comprobado. Verifique el enlace original y de archivo de acuerdo con las instrucciones y luego elimine este aviso. @ 1@ 2Plantilla: Webachiv / IABot / performance.ey.com
7. ↑ BBC News sobre la nueva empresa estadounidense NBD Nano [1]